不同載體包埋厭氧氨氧化污泥的實驗研究

周鵬 許祥祥

摘 要：為了保持反應器中厭氧氨氧化污泥的污泥量，增強反應器的抗沖擊能力，使用PVA-SA，PVA-SB，PVA分別為包埋材料，對穩定運行反應器中的厭氧氨氧化污泥進行包埋，制成小球。實驗結果表明，3種小球的厭氧氨氧化活性均比較高，去除的氨氮和亞硝態氮以及生成的硝態氮的量符合標準化學計量比。3種包埋小球的生物活性表現為PVA-SB小球>PVA-SA小 ?球>PVA小球。3種小球的比表面積表現為PVA-SB小球>PVA-SA小球>PVA小球。電鏡觀察發現PVA-SB小球和PVA-SA小球與PVA小球相比有更大的孔隙。但是PVA-SB小球黏度大，易粘連，且強度不高，穩定性差。綜合考量認為PVA-SA為最佳的厭氧氨氧化污泥包埋固定化載體材料。

關鍵詞：厭氧氨氧化;PVA-SA;包埋固定化;生物脫氮

傳統的污水生物處理工藝主要是微生物懸浮生長的活性污泥處理方法。這種方法雖然具有許多優點，在污水處理領域長期發揮著重要作用，但也存在許多難以克服的缺陷。例如，反應器中的生物質濃度較低，污泥和水難以分離[1]，沖擊負荷不耐受，會發生污泥膨脹和損失[2-3]。近年來，固定化微生物技術成為國內外學者研究的熱點，一些研究成果已從實驗室階段轉向實際應用階段。包埋法是固定化微生物技術中應用廣泛的方法。

本研究采用PVA，PVA-SB以及PVA-SA這3種載體，對厭氧氨氧化污泥進行包埋固定化，通過分析這3種包埋材料的特性，包括厭氧氨氧化活性、機械強度、包埋小球的穩定性、比表面積，選擇適合厭氧氨氧化污泥的包埋材料。

1 ? ?實驗材料與方法

1.1 ?原材料

聚乙烯醇（PVA）購買于無錫市亞泰聯合化工有限公司，聚合度為1 750±50，醇解度大于97%。碳酸氫鈉（SB）、海藻酸鈉（SA）、FeCl2、CaCl2、H3BO3等化學試劑購于天津市福晨化學試劑廠，純度為分析純。實驗用污泥取自UASB反應器，該反應器在30 ℃、pH為7.5環境下連續穩定運行80 d，實驗進行時測得污泥顆粒MLSS ? ? ?為1.649 g/L。

1.2 ?實驗方法

聚乙烯醇（PVA）固定化方法：將7.5% PVA放入高壓鍋內，在120 ℃下加熱20 min，混合均勻后冷卻至室溫，形成PVA溶膠。固化液采用3%硼酸和2%氯化鈣，用2 mol/L NaOH溶液調節pH為6.7，之后將固化液放置在磁力攪拌器上，以適當轉速轉動。采用蠕動泵滴落法，用蠕動泵將溶膠滴入固化液中，溶膠遇到固化液就會立即形成球形包埋載體，形成的包埋載體浸入固化液，置于冰箱（﹣4 ℃）中交聯12 h，以增強其機械強度。

聚乙烯醇-碳酸氫鈉（PVA-SB）固定化方法：先制備出PVA溶膠，并將其冷卻至室溫，將0.25%碳酸氫鈉添加到PVA溶膠中，再加入與碳酸氫鈉等物質的量的鹽酸 ? （6 mol/L），快速攪拌。

聚乙烯醇-海藻酸鈉（PVA-SA）固定化方法：PVA-SA凝膠載體的制備與傳統PVA凝膠載體的制備方式相同。只是包埋材料有所變化，PVA-SA載體材料成分是1.0% SA和7.5% PVA。

2 ? ?實驗結果與討論

2.1 ?不同載體包埋小球的厭氧氨氧化活性

2.1.1 ?不同材質包埋小球對氨氮的去除

包埋厭氧氨氧化菌小球對氨氮的去除率如圖1所示，反應進行8 h后取樣，此時對照組氨氮去除率最高，其他3種包埋厭氧氨氧化菌小球的去除率距對照組相差很多。16 h取樣時，對照組依舊去除率最高，此時PVA-SB和PVA-SA的去除率也得到大幅度提升，接近對照組去除率;24 h取樣時，PVA-SB和PVA-SA曲線已經超過對照組，PVA-SB去除率最高，PVA小球去除率依舊最低;32 h取樣時，PVA-SB小球去除率已達到95%;40 h取樣時，PVA-SB小球處理的水樣中，氨氮幾乎全部去除，去除率達到99%，PVA-SA去除率達到95%，其他兩種污泥的去除率也都在85%以上;48 h取樣時，4種水樣中的氨氮幾乎全部去除。

2.1.2 ?不同材質包埋小球對亞硝態氮的去除

包埋厭氧氨氧化菌小球對亞硝酸鹽氮的去除率如圖2所示，反應進行8 h后取樣，對照組去除率最高。16 h取樣時，PVA-SB和PVA-SA曲線已經超過對照組，PVA-SB去除率最高，PVA去除率最低;24 h取樣時，PVA-SB和PVA-SA去除率達到80%，兩者去除率接近;32 h取樣時，PVA-SA超過 PVA-SB，PVA-SA去除率最高，為90%左右;40 h取樣時，PVA-SA處理水樣中亞硝態氮幾乎全部去除，去除率達到99%;48 h取樣時，PVA-SB和PVA-SA去除率都達到99%，反應結束，而對照組和PVA水樣中還有亞硝態氮存在，并沒有完全去除。批次實驗表明，在48 h反應時間內，PVA-SB和PVA-SA亞硝態氮完全去除，而對照組和PVA并沒有反應完全。比較PVA-SB和PVA-SA曲線，前期PVA-SB去除率較高，后期PVA-SA超越PVA-SB。

2.2 ? 不同載體包埋小球的比表面積

由朗繆爾方程式可知，載體對亞甲基藍的最大吸附質量Qmax可由方程式中的斜率倒數表示，因此作出Ce與Ce/Q的擬合曲線，先得出斜率k的值，如圖3所示。

從圖3中可以看出，PVA、PVA-SA、PVA-SB擬合曲線的斜率分別為0.064、0.044、0.041，計算得出其對應的載體對亞甲基藍的最大吸附質量Qmax分別為15.625、22.730、24.390（mg MB/g），由此可見，由于SA、SB的添加使PVA的溶液對亞甲基藍的吸附性能得以提升。由于1 mg亞甲基藍的比表面積為2.45 m2，載體比表面積等于Qmax乘以2.45，計算得出聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇-海藻酸鈉（PVA-SA）、聚乙烯醇-碳酸氫鈉（PVA-SB）這3種包埋小球的比表面積分別為38.28、55.69、59.76 m2，聚乙烯醇-海藻酸鈉（PVA-SA）和聚乙烯醇-碳酸氫鈉（PVA-SB）的比表面積分別比聚乙烯醇（PVA）增加了45.5%和56.1%，由此可見，海藻酸鈉和碳酸氫鈉的添加會增加聚乙烯醇的比表面積。這種現象是載體的成孔能力不同導致的，海藻酸鈉和碳酸氫鈉的添加使傳統PVA載體中的孔隙增加，使其比表面積增大，也使得載體的微生物容納量提高[4]，將更多的微生物包埋起來，與原水充分接觸，處理效果更加顯著。

2.3 ?不同載體包埋小球的穩定性

表1為3種小球在酸堿鹽溶液當中的變形情況。經過以上實驗發現，3種小球都能夠在上述溶液中保持完整性，但是變形情況各異，整體而言，穩定性最好的是PVA-SA小球，小球穩定性的相對排序為PVA-SA小球>PVA小球>PVA-SB小球。

2.4 ?不同載體包埋小球的機械強度

不同材料包埋小球的振蕩實驗結果如圖4所示。從 ? ? ?圖4可見，3種包埋小球的機械強度差異較為明顯，最佳的是PVA-SA小球，最差的是PVA小球。96 h之前，PVA破損率都小于PVA-SB，分析原因為PVA-SB小球的孔隙率較高，容易破損。120 h之后，PVA破損率都大于PVA-SB，原因為包埋材料只有單一PVA存在時，包埋小球的黏性強，制備困難，制備成功的小球也容易粘連在一起。隨著振蕩時間的延長，一旦有包埋菌體發生破裂，將會造成大量的包埋厭氧氨氧化菌小球破裂，因此，后續破損情況更加嚴重。144 h時，PVA-SA小球破損率為3.11%，PVA-SB小球破損率為4.55%，PVA小球破損率為5.92%，PVA小球機械強度最差。216 h時，PVA-SA小球破損率為5.57%，PVA-SB小球破損率為8.53%，PVA小球破損率為11.35%。因此得出小球機械強度的相對排序為PVA-SA小球>PVA-SB小球>PVA小球。

2.5 ?不同載體包埋小球的載體形態

PVA、PVA-SA、PVA-SB凝膠載體的掃描電子顯微鏡（SEM）照片如圖5所示，PVA-SA和PVA-SB載體中存在許多狹長的大孔隙，有利于傳質[5]。PVA-SB載體的這種結構源于凝膠中形成的氣泡（碳酸氫鈉和鹽酸的化學反應），形成比PVA-SA更大的孔徑，大孔徑的直徑約為500 μm。PVA-SA和PVA-SB凝膠載體具有較強的微生物容納能力，可以為微生物生長提供更大的空間和更強的傳質能力。

3 ? ?結語

（1）測定厭氧氨氧化活性時，對于氨氮的去除率，從整體結果而言，4種污泥的處理效果相差不大，前期PVA-SB去除率較高，后期PVA-SA超越PVA-SB。厭氧氨氧化活性排序為PVA-SB小球>PVA-SA小球>PVA小球。

（2）3種小球比表面積排序為PVA-SB小球>PVA-SA小球>PVA小球。掃描電子顯微鏡（SEM）照片也證明了這一觀點，PVA-SA和PVA-SB載體內部都存在大孔徑結構，這種結構使得凝膠載體具有較強的微生物容納能力，可以為微生物生長提供更多的空間和更強的傳質能力。

（3）小球穩定性的相對排序為PVA-SA小球>PVA小球>PVA-SB小球。對于小球的機械強度，PVA-SA小球破損率為5.57%，PVA-SB小球破損率為8.53%，PVA小球破損率為11.35%。

（4）實驗過程中發現，PVA-SB凝膠載體黏度大，易粘連，且強度不高。綜合考慮固定操作方法以及固定后小球的穩定性與機械強度，認為PVA-SA是最適合包埋厭氧氨氧化化污泥的材料。

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